Advancing permafrost carbon climate feedback-improvements and evaluations of the Norwegian Earth System Model with observations

Jord som er frosset i mer enn to etterfølgende år, permafrost, lagrer store mengder karbon i form av organisk jordsmonn. Mengden karbon som lagres i organisk jordsmonn er omtrent to ganger større enn mengden karbon som finnes i atmosfæren, og langt mer enn mengden karbon som er lagret i vegetasjon. Tidligere trodde man at mengden karbon lagret i permafrost var svært stabil, fordi man trodde at permafrost var frosset hele tiden. Global oppvarming har ført til tining av permafrost. Noen mener at permafrost er som en tikkende bombe når den globale temperaturen øker så hurtig som den gjør nå. Dette er fordi karbonet som er lagret i permafrost kan slippe ut i atmosfæren når permafrosten tiner, i form av drivhusgasser som karbondioksid (CO2) og metan, på grunn av mikrobiell nedbryting av organisk jordsmonn. Fordi oppvarming medfører at permafrosten smelter raskere vil utslippene av drivhusgasser fra permafrosten skje hurtigere, noe som igjen kan medføre økt oppvarming. For å kunne estimere hvor store drivhusgassutslipp som er knytet til tining av permafrost er det mange aspekter som må vurderes. For det første vil oppvarming øke både utslippet og opptaket av drivhusgasser. Dette er fordi vegetasjonen i Arktis også vil vokse raskere og større når det blir varmere. For det andre påvirker tining av permafrost andre prosesser som virker på landoverflaten. For eksempel kan grunnen kollapse. Disse kollapsede områdene kan så fylles med vann, og noen ganger kan det dannes myrer. Jord som blir liggende under vann blir anaerob. Med andre ord, det er mangel på oksygen. Under anaerobe forhold kan mikrobiell nedbrytning føre til produksjon av metan, en drivhusgass som er mer giftig enn karbondioksid. Samtidig er anaerobe prosesser tregere enn aerobe prosesser, mens aerobe prosesser bare medfører karbondioksidutslipp. For det tredje er det bare de såkalte jordsystemmodellene, storskala klimamodeller, som kan brukes til å forutsi hvor mye av drivhusgassutslippene fra den smeltende permafrost som vil påvirke global oppvarming. Sist, men ikke minst; de tøffe feltforhold i Arktis gjør det vanskelig for forskere å samle nok data til at data og modeller kan evalueres og valideres. For at vi skal kunne få en bedre forståelse av hvordan smelting av permafrost, og andre endringer i det arktiske miljøet, påvirker drivhusgassbalansen må vi ta hensyn til alle disse faktorene. I prosjektet målte vi miljøforholdene, og CO2 og metan utslippene, på steder med ulik grad av permafrost tining. Jo mer permafrost som tiner, jo mer anaerob blir jordmiljøet. Derfor kan vi assosiere graden av permafrost tining og jordforurensning med CO2 og metan utslipp og opptak fra permafrost. Resultatene våre viser at økosystemene tar opp mer karbon når permafrosten tiner, på grunn av vegetasjonsvekst. Dette skjer bare om sommeren. På generell basis akselererer tining av permafrost utslippene av både CO2 og metan.

Our observations, and statistical modeling results, suggest that permafrost thaw and landscape subsidence, intermediate slumping and pond formation, increases net annual carbon loss in this widespread subarctic wetland type. Generally, thaw slumping and pond formation does not change CO2 emissions substantially as inundated plots had similar CO2 balance as on palsas. However, CH4 release greatly increased across the permafrost thaw gradient. During the growing season, vegetated palsas were small sinks of atmospheric CH4, whereas permafrost thaw slumping and pond formation increased CH4 efflux dramatically relative to palsas. Soil profile CO2 and CH4 concentrations were overall highly enriched relative to palsa profiles, reflecting soil conditions with inundated pore space and low oxygen availability along the permafrost thaw gradient. Our results suggest that permafrost thaw, both intermediate slumping and pond formation, currently increases overall growing season carbon release.

FEEDBACK project is proposed research project under the FRINATEK young research talent call for proposals. FEEDBACK aims to build accurate predictions of future climate feedback cycles from thawing permafrost, including the role of permafrost carbon (C). We will improve permafrost biogeochemistry module based on process-level understanding gained from systematic field observations. In addition, this project will develop a new observational scheme that will provide seamless process level understanding of permafrost biogeochemistry under varying soil hydrological regimes and will collect much-needed observational data for evaluating the model simulations. This project will be in the forefront of advancing our understandings on climate system and future climate projections. As a result, FEEDBACK will strengthen the terrestrial biogeochemistry research at the leading climate research institute, the Bjerknes Centre for Climate Research and bridge close collaborations across 5 world class national and international institutions to strengthen the knowledge in the interaction between the terrestrial and the climate system. Along with its scientific contributions, this project will enhance project leading and supervisory skills for the leader (Hanna Lee), by which will result in a multifaceted early career researcher (postdoc), who will become an expert in observations, data synthesis, and modeling in the framework of permafrost, global C cycling, and climate change. FEEDBACK is a highly innovative project that operates across traditional boundaries among the research arenas such as field-based observations, statistical data synthesis and model parameterization, and ESM development and evaluation. The project leader, partners, and collaborators of FEEDBACK have strong track records in these fields, offering unique and excellent potential to significantly transport the current knowledge no other group can offer.